[发明专利]石墨片电加热元器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种电加热器件领域的技术，具体是一种石墨片电加热元器件及其制备方法。

背景技术

从日常生活中取暖使用的电加热毯、地热膜、电热杯、电热炉等，到沸腾临界热流密度实验中使用的加热壁面，都离不开电加热器。而评价电加热器加热效果与安全性能的一个重要指标就是加热表面温度分布的均匀程度。如果电加热毯的表面温度分布不均匀，不仅影响用户体验，而且容易造成局部过热，严重可能导致火灾等事故的发生。在沸腾临界热流密度实验中，如果加热壁面用的加热器表面温度分布不均匀，会影响热流密度的方向，进而对实验结果造成一定的影响。虽然表面温度分布是加热器使用效果与安全性能的一个重要指标，目前现有的加热器在这方面仍然或多或少存在一些问题，有待改进。

目前现有加热器的加热元件主要有金属电热丝，碳纤维电热丝等。比如日常生活中用到的电热毯，有些是在内部植入电热丝用来发热，有些是利用碳纤维编织成网状结构来发热。然而不论哪种方式，都无法达到整个面的均匀加热。电热丝制作成的加热器只有在电热丝处发热，在电热丝之间无法发热，这就造成了整个加热表面无法达到均匀加热的状态。有碳纤维编织而成的网状发热器虽然在一定程度上减弱了加热表面的不均匀程度，但是并没有从根本上解决这一问题。除此之外，电热毯在日常应用中经常会发生弯折等情况，而其中的电加热丝在弯折等情况下非常容易发生断裂等情况造成失效。碳纤维虽然机械强度很高，在日常的使用中可以有效避免断裂、破损等情况的发生，但是其成本相对来说非常高昂，并且核心技术掌握在国外少数公司手中，不利于降低成本和大规模普及应用。在实验室领域比较常用的加热器是电加热棒。但是由于加热不均匀以及无法达到比较理想的绝缘效果，在热工水力领域的实验应用中，经常会发生加热棒损坏的情况。另外，高功率的电加热棒成本也较为高昂。除了上述加热器之外，还有一些加热器比如氧化铟锡薄膜，金属镀层等。但是这些加热器一般存在加工难度高，绝缘性差，成本较高等问题。并且，像电阻丝、加热棒等常规加热器，在很多情况下无法较好的贴合被加热面，造成一定的热量损失；碳纤维、氧化铟锡以及金属镀膜等虽然可以较好的贴合被加热面，但是存在绝缘效果不好，加工成本高等问题，并不能全面的替代传统的金属电加热产品。

相比于上述加热器而言，石墨片是一种全新的导热材料。因为石墨的特殊晶体结构，石墨片横向的导热系数高达1500W/(m·K)，非常有利于在表面温度分布出现不均匀的情况下展平温度分布。在无氧的情况下，石墨片可以经受住3000℃以上的高温，可以制作成加热温度范围很大的加热器。另外，石墨片表面可以与金属、塑胶、不干胶等其它材料复合以满足更多的设计功能和需要；特别是柔性石墨片，通过复合加工，可以极大增强其机械强度，可以经受弯曲折叠等情况，不仅拓宽了适用范围，而且在储存时可以通过折叠减少空间的占用。另外，相比于碳纤维加热丝，各种不同规格和高纯度的石墨片加工技术已经非常成熟和普及，加工工艺流程也相对简单，成品稳定性高，成本低廉。已经具备了全面替代传统的电热阻丝作为发热元件的条件，并为绿色环保、性能更高的新型电加热器的开发奠定基础，有望在不久的将来完成电加热元器件的全面升级换代。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1258186公开(公告)日2000.06.28，公开了一种柔性电热膜发热体的制造方法,其方法是先在高分子柔性基体材料表面上涂上金属电极,再将胶体石墨浆涂覆在基体材料表面及金属电极上形成电热膜,尔后再在其上固定一层绝缘保护层。该技术所制成的电热膜发热体固着的柔性基体材料上，可弯折，可在一定范围内拉长，可以将电极、导线牢固的与电热膜层相固定，绝缘安全性好。但该技术存在工艺复杂，产品稳定性差，制造成本高昂等缺点。石墨浆料的调配和涂抹的均一性比较难控制，这样容易造成发热不均匀；浆料中的黏合材料容易在长期使用过程中老化失效，使该产品的功率退化并降低使用寿命；用银胶作为电极，使得产品的成品高昂，不利于大规模的推广；并且该技术只适用于100度以下的低温加热产品。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种石墨片电加热元器件及其制备方法，采用已有的成熟技术生产出的厚度均一、纯度高的石墨片，经过涂胶并与绝缘材料复合，制造出的电加热元器件可广泛用于低温、中温、高温以及超高温(3000度以上)各种电加热领域。本发明的制造工艺简单可靠，产品稳定性好，成本低廉，使用寿命长，有望实现对现有电加热元器件的全面升级换代。

本发明是通过以下技术方案实现的：